淺層人工地震精確探測(cè)隱伏斷層方法研究

曾維望,王 飛

(山西金潮嘉華科技有限公司,山西 太原 030000)

0 引言

目標(biāo)區(qū)活動(dòng)斷層探察和活動(dòng)性鑒定是區(qū)域性地震安全評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)工作[1],地球物理勘探是地下構(gòu)造勘查與活動(dòng)性鑒定的手段之一,淺層人工地震[2]、高密度電法和電磁法[3]、瑞雷波[4]等單一方法以及綜合物探方法[5-6]等在諸多區(qū)域性地震安全評(píng)價(jià)工作中發(fā)揮重要作用。淺層人工地震勘探可以查明新近系與第四系地層以及斷層等構(gòu)造的發(fā)育位置、性質(zhì)、產(chǎn)狀、規(guī)模和上斷點(diǎn)埋深等特征,是所有地球物理勘探方法中分辨率高、探測(cè)效果和精度較好的手段之一[7-8]。淺層人工地震勘探與面向油氣、煤炭等資源的反射地震勘探,均需要對(duì)斷層的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀、活動(dòng)性等進(jìn)行研究,但是服務(wù)于地震安全性評(píng)價(jià)的淺層人工地震更關(guān)注斷層的淺部信息[9-11]。因此,淺層人工地震更注重觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的選擇,要避免淺部地層有效疊加次數(shù)過(guò)低,導(dǎo)致上斷點(diǎn)不清等問(wèn)題[12]。

本文以山西長(zhǎng)治市某區(qū)區(qū)域性地震安全評(píng)價(jià)項(xiàng)目實(shí)例為基礎(chǔ),結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景,通過(guò)野外試驗(yàn)選取合適的觀測(cè)系統(tǒng),探討提高第四系地層層位分辨能力的野外數(shù)據(jù)觀測(cè)方法。在此基礎(chǔ)上,采用針對(duì)性數(shù)據(jù)處理方法,獲得測(cè)線上地層高精度內(nèi)部反射結(jié)構(gòu),精確解釋不同沉積地層的界面埋深,測(cè)線上主要隱伏斷層的位置、性質(zhì)、產(chǎn)狀及上斷點(diǎn)埋深,取得較好的探測(cè)效果。

1 目標(biāo)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造概況

目標(biāo)區(qū)地處太行山南段西側(cè)長(zhǎng)治市城區(qū),位于長(zhǎng)治市南部郝家莊以南、蘇店鎮(zhèn)以北,長(zhǎng)治斷陷堆積盆地內(nèi)部,地形高差變化小,地表平坦(見(jiàn)圖1)。目標(biāo)區(qū)及其周邊主要分布三條隱伏正斷層,分別為宋家莊斷層(F1)、安城斷層(F2)以及蘇店斷層(F4);三條斷裂走向均為NE向,呈平行展布;宋家莊斷層和安城斷層形成地壘構(gòu)造(見(jiàn)圖1)。斷層的主要活動(dòng)時(shí)期為燕山晚期,第四紀(jì)以來(lái)的活動(dòng)性趨于穩(wěn)定。

目標(biāo)區(qū)內(nèi)新近系與第四系厚度為80～160 m,新近系與第四系未固結(jié)松散層與其下伏二疊系基巖頂呈角度不整合接觸,因速度、密度差異大,存在良好的波阻抗界面。二疊系山西組與太原組賦存穩(wěn)定的可采煤層,即3號(hào)和15號(hào)煤層。3號(hào)和15號(hào)煤層與其頂、底板圍巖的速度、密度差異大,存在良好的波阻抗界面,形成能量弱-中等、波形特征明顯、連續(xù)性好、易識(shí)別的反射波。因此,淺層人工地震觀測(cè)具有較好的物性基礎(chǔ)。

2 淺層人工地震觀測(cè)

按照淺層人工地震測(cè)線盡可能垂直斷層構(gòu)造走向、盡可能跨越目標(biāo)斷層的原則,本次淺層人工地震部署三條測(cè)線(見(jiàn)圖1),均沿公路布設(shè)。為了控制宋家莊斷層和安城斷層,布設(shè)DZ-1和DZ-3兩條線,長(zhǎng)度分別為1.9 km和2.5 km;為了控制蘇店斷層,布設(shè)DZ-2線,長(zhǎng)度2.1 km。

針對(duì)波場(chǎng)特征、觀測(cè)系統(tǒng)和激發(fā)接收參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)試驗(yàn)物理點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定性、定量對(duì)比分析,確定本次淺層人工地震的主要采集參數(shù):28噸可控震源激發(fā),震動(dòng)次數(shù)2次、出力75%、掃頻8～110 Hz、掃描長(zhǎng)度16 s;采用3 m道間距、52次覆蓋次數(shù)、中間激發(fā)208道雙邊接收、60 Hz檢波器接收,觀測(cè)方法和采集參數(shù)的合理選擇,取得整體信噪比較高的原始資料。分析獲得的原始資料得出:本區(qū)的主要干擾波為面波、聲波及隨機(jī)干擾等,因在城區(qū)施工,背景噪音干擾明顯;通過(guò)頻率掃描確定目的層有效反射波的頻率分布范圍在20～100 Hz,優(yōu)勢(shì)頻帶寬度在30～80 Hz,反射波主頻55 Hz左右(見(jiàn)圖2)。

圖2 原始單炮及其分頻掃描記錄Fig.2 Original single-shot and its frequency scanning records

關(guān)鍵的觀測(cè)是采用小道距,小道距觀測(cè)獲得的單炮記錄上可以看到至少兩組不同速度的反射波。其中,一組為新近系與第四系、新近系與下伏二疊系基巖頂?shù)姆瓷?速度較低,為1 400～1 600 m/s;另一組為二疊系內(nèi)煤層底界面的反射,主頻較高,速度較高,達(dá)到3 000～3 500 m/s。

3 高精度數(shù)據(jù)處理

對(duì)原始單炮進(jìn)行信噪比、能量、頻率、靜校正等分析,綜合應(yīng)用近地表層析靜校正、疊前組合去噪、地表一致性振幅補(bǔ)償、地表一致性反褶積、精準(zhǔn)的速度分析、疊加及疊后偏移成像等高精度數(shù)據(jù)處理技術(shù),獲得高精度成像剖面。

本次淺層人工地震數(shù)據(jù)處理采用非線性分頻自適應(yīng)噪音檢測(cè)及壓制技術(shù),對(duì)不同頻率、不同種類(lèi)的噪音進(jìn)行處理。在不同的頻段內(nèi),以加權(quán)中值為參量,自動(dòng)識(shí)別面波、聲波、脈沖、野值等不同噪聲類(lèi)型,根據(jù)噪聲與信號(hào)的數(shù)值關(guān)系,計(jì)算加權(quán)曲線,對(duì)噪聲進(jìn)行衰減,并重構(gòu)地震記錄。從處理后的單炮記錄看出,信號(hào)畸變很小,各種強(qiáng)能量干擾得到壓制,且不損失淺層和深層的有效反射波信息(見(jiàn)圖3)。

圖3 疊前去噪前后的原始單炮對(duì)比Fig.3 Comparison of original single-shot records before and after pre-stack noise attenuation

由于激發(fā)和接收在空間方向與環(huán)境的不斷變化,單炮記錄在空間方向上能量、頻率不均衡。數(shù)據(jù)處理中以先去噪、后補(bǔ)償?shù)恼穹a(bǔ)償原則,采用地表一致性振幅補(bǔ)償技術(shù)解決炮間和道間能量不一致問(wèn)題;采用地表一致性反褶積技術(shù)進(jìn)行子波統(tǒng)計(jì)、子波整形、相位校正與拓寬頻帶提高分辨率(見(jiàn)圖4)。

圖4 反褶積前后的單炮及頻譜對(duì)比Fig.4 Comparison of single-shot records and frequency spectra before and after deconvolution

在采用常速掃描法和調(diào)查速度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,針對(duì)目的層有效信號(hào)的優(yōu)勢(shì)頻帶進(jìn)行速度分析。經(jīng)多次迭代和加密(30 m一個(gè)點(diǎn))速度控制點(diǎn)分析,可有效提高疊加速度的精度,為后續(xù)地層標(biāo)定和構(gòu)造解釋奠定可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 地質(zhì)精細(xì)解釋

從獲得的時(shí)間剖面上看到,基本以200 ms為界,上、下時(shí)間存在兩種明顯不同的反射波組特征(見(jiàn)圖5、圖6)。上部的反射波組同相軸基本為水平平行結(jié)構(gòu),連續(xù)性好,主頻較高,能量較弱;下部的反射波組形態(tài)起伏變化明顯,呈亞平行結(jié)構(gòu),連續(xù)性差,主頻較低,能量較強(qiáng)。此外,反射波組同相軸還出現(xiàn)明顯中斷與位錯(cuò)、強(qiáng)弱相位的反轉(zhuǎn)和產(chǎn)狀變化等特征。

圖5 DZ-1測(cè)線地震整體時(shí)間剖面和虛線框段放大時(shí)間剖面Fig.5 Overall time profile and enlarged time profile of the selected section within the dashed box of seismic line DZ-1

圖6 DZ-3測(cè)線地震整體時(shí)間剖面和虛線框段放大時(shí)間剖面Fig.6 Overall time profile and enlarged time profile of the selected section within the dashed box of seismic line DZ-3.

根據(jù)DZ-1線附近的煤礦鉆孔資料,新近系底埋深為134.05～153.20 m,變化很小;二疊系山西組3號(hào)煤層埋深為187.80～257.10 m,太原組15號(hào)煤層埋深為300.50～373.10 m,同一層埋深差異達(dá)60 m以上。說(shuō)明新近系地層沉積前,地表的風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈,古生界殘留厚度存在變化。

根據(jù)獲得的時(shí)間剖面,結(jié)合剖面附近煤礦鉆孔資料綜合分析得出:本區(qū)發(fā)育四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地震反射波TQ、TN、T3和T15。TQ為第四系(Q)與新近系(N)分界面的反射波;TN對(duì)應(yīng)新近系與古生界之間的角度不整合面,即新近系底面的反射波;T3為古生界二疊系內(nèi)部山西組3號(hào)煤層底的反射波;T15為古生界二疊系內(nèi)部太原組15號(hào)煤層底的反射波。通過(guò)對(duì)TQ、TN、T3和T15四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地震反射波的標(biāo)定、追蹤和對(duì)比,完成地震剖面解釋,實(shí)現(xiàn)對(duì)目的層和隱伏斷層的研究。

根據(jù)斷點(diǎn)組合原則,把時(shí)間剖面上斷點(diǎn)性質(zhì)相同、落差相近的相鄰斷點(diǎn),按照區(qū)域構(gòu)造規(guī)律組合起來(lái)組成同一條斷層。將DZ-1測(cè)線上的斷點(diǎn)F2和DZ-3測(cè)線上斷點(diǎn)F2進(jìn)行組合,認(rèn)為其為安城正斷層。該斷層落差約30 m,上斷點(diǎn)埋深為135～170 m,僅錯(cuò)斷新近系、二疊系地層及深部地層,其上斷點(diǎn)未延伸至第四系。宋家莊斷層由DZ-3測(cè)線控制,DZ-1測(cè)線未發(fā)現(xiàn),該斷層落差約20 m,上斷點(diǎn)埋深約150 m,僅錯(cuò)斷新近系、二疊系地層及深部地層,其上斷點(diǎn)未延伸至第四系。

5 結(jié)論與討論

(1) 本次淺層人工地震采用小道距、高覆蓋次數(shù)觀測(cè)參數(shù),應(yīng)用非線性分頻自適應(yīng)噪音檢測(cè)及壓制技術(shù)等處理手段,結(jié)合已有資質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析。查明新近系與第四系覆蓋層厚度,得到測(cè)區(qū)中安城斷層和宋家莊斷層的特征,明確兩個(gè)斷層均為燕山期活動(dòng)-更新世活動(dòng)斷層,非全新世斷層,可不考慮工程抗斷問(wèn)題,為后續(xù)區(qū)域性地震安全評(píng)價(jià)工作提供可靠的地球物理依據(jù)。

(2) 淺層人工地震勘探是區(qū)域性地震安全評(píng)價(jià)中目標(biāo)區(qū)主要斷層勘查與活動(dòng)性鑒定有效的手段,尤其對(duì)精確探測(cè)隱伏斷層及查明隱伏覆蓋層厚度效果最佳。但需要合理選擇和優(yōu)化觀測(cè)系統(tǒng)、采集參數(shù),針對(duì)性地進(jìn)行資料處理、綜合分析已知地質(zhì)資料及選取有效的方法,方可確保探測(cè)效果。